如何构建稳定的光学谐振腔？

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在光学谐振腔内，只有平行于轴线传播的光才能被来回反射形成激光，而其他方向传播的光将逸出腔体。光学谐振腔起到了提供正反馈、选择光波的方向和频率的作用。两个平行的平面反射镜构成了最简单的光学谐振腔，称为平行平面腔，多用于固体激光器。激光器要获得稳定的输出，谐振腔必须达到稳定条件，从而使光线在腔内任意多次往返后而不横向逸出腔外。

激活介质实现了粒子数反转后就成为了增益介质，可以做成光放大器。但是由于激活介质内部来源于自发辐射的初始光信号是随机的，其诱发的受激辐射的方向也是随机的。另外，增益介质的增益系数和长度是有限的，光子单次通过增益介质获得的增益也是有限的、较弱的。因此，有必要在增益介质两侧设置一对平行的反射镜来使光子多次经过介质，进一步增加光增益。这对反射镜就构成了光学谐振腔。在光学谐振腔内，只有平行于轴线传播的光才能被来回反射形成激光，而其他方向传播的光将逸出腔体。光学谐振腔起到了提供正反馈、选择光波的方向和频率的作用。

两个平行的平面反射镜构成了最简单的光学谐振腔，称为平行平面腔，多用于固体激光器。如按照反射镜表面形状，谐振腔还有双凹腔和平凹腔形式。无论是何种形式的谐振腔，两个反射镜中，一个是全反射的，另一个是部分透射的。

激光器要获得稳定的输出，谐振腔必须达到稳定条件，从而使光线在腔内任意多次往返后而不横向逸出腔外。谐振腔的稳定条件就是谐振腔的长度和两端反射镜表面的曲率半径之间满足一定的条件。

谐振腔稳定后，其内可能存在的频率和方向称为本征模，即能够在腔内存在的稳定的光波基本形式。按频率区分的称为纵模，按方向区分的称为横模。稳定的含义是：光波振幅在空间上的分布是确定的，不随时间而变化；光波相位在空间的分布是确定的，不随时间而变化；光波频率是确定的。对于焊接加工来说，激光的横模特征是重要的加工影响因素。横模是光场在垂直于腔轴方向的平面内光强度分布情况。横模模式一般用符号TEM_mn来表示，其中TEM表示横向电磁场，m、n为正整数且表示横模的序数。在方形镜和圆形镜情况下几种简单横模的光强分布图形见表4-1-1。其中TEM₀₀称为基模，是最简单的光斑结构，在光束横行截面上光强度集中在中心区域，且按高斯分布规律由中心向外逐步递减。

表4-1-1 几种简单横模的光强分布图形

如何构建稳定的光学谐振腔？

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